基于RSSI测距信号衰减因子的WSN定位算法研究
作者 张春炯1 陈立万1 杨震1 曹磊2 刘莎1 刘子路1 1.重庆三峡学院 电子信息与工程学院(重庆 404100)2.商丘学院 学生处(河南 商丘 476000)
*基金项目:国家自然基金(编号:61402063);中国博士后科学基金(编号:160560);重庆三峡学院研究生创新创业项目《基于多细胞生物免疫机理的WSN节点协同信息处理研究》
张春炯(1990-),男,硕士,研究方向:无线传感网络;陈立万,男,教授,研究方向:信号与信息处理。
摘要:在无线传感器网络中定位技术是运用广泛的重要技术,在基于距离的定位技术中,测距精度在很大程度上决定了定位精度。传统的RSSI测距法存在路径损失模型复杂、环境变化引起信号严重震荡而产生测距误差等不足。针对以上问题,本文提出利用锚节点测距信号衰减因子的RSSI测距法,该测距法无需建立路径损失模型,同时,信号衰减因子与RSSI测距有很强的关联性,减少了因其他因素引起的信号强度值震荡而带来的测距误差,具有很好的环境适应能力。
引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是现代一种有大量微型传感器节点部署的无线检测区域网络[1]。在无线传感器网络实际工程应用中,节点需要提供自身的位置信息及检测信息,才能提供有效的监测服务[2-3]。无线传感器网络中目标的定位、跟踪和轨迹预测都需要节点的位置信息[4]。
WSN的定位问题一般指对于一组未知位置信息的网络节点,依靠已知的锚节点的位置信息,通过测量未知节点至其余节点的距离或跳数,或者通过估计节点可能处于的区域范围,结合节点间交换的信息和锚节点的已知位置,来确定每个节点的位置[5]。
基于接收信号强度指示测距法(Received Signal Strength Indicator,RSSI)的测距方式是指,信号在传播过程中遇到障碍物时会被反射、折射以及吸收,在障碍物周围的信号存在较大的路径损失,造成测距的不准确性,最大测距误差可达±50%[2]。本文针对RSSI测距法中存在的不足,提出利用锚节点测距信号的RSSI测距法解决测距误差。
1 节点定位技术基本理论
1.1 基于距离(Range-Based)的定位
在Range-Based的定位中,节点之间测距精度决定定位的精度,介绍分析以下几种常见的测距法。
到达时间(Time of Arrival,TOA)测距法[6]是一种基于方向链路的定位方法,通过测量节点信号到达多个信标节点的传播时间来确定节点的位置。但它对所有节点相同的误差没有进行处理,误差较大。
到达时间差(Time Different of Arrival,TDOA)测距法[3]是另一种基于反向链路的定位方法,通过检测不同信号到达的时间差来确定节点的位置。但由于节点功率控制会造成相邻节点接收到的功率小,因此会导致比较大的测量误差。
到达角(Angle of arrival,AOA)定位法[4]由两个或更多锚节点通过测量接收信号的到达角来估计节点的位置。而当节点距离协调器较远时,节点定位角度的微小偏差会导致测位线距离的较大误差。
接收信号强度指示(RSSI)测距法[5,6]通过接收节点测量接收功率,计算传播损耗,使用理论或经验的信号路径损失模型将传播损耗转化为距离。其不需添加任何额外硬件降低投入成本,但其路径损失模型建立复杂,射频信号易受多径衰落、非视距等环境影响导致接收信号强度值严重震荡,难以准确测距。
1.2 影响定位精度的主要因素
由于无线传感器网络的通信环境复杂多变,因此,各种依赖于通信信号测量的定位技术都受到各种因素的影响,如多径传播问题及NLOS传播。
2 RSSI测距法
RSSI测距法定位的算法中,用已知节点之间距离测量的准确度来决定定位的精度。RSSI测距法的基本思想是:在传播过程中由于信号的衰减,通过特定环境下的信号传播路径损失模型,运用到所求信号传播环境下,计算出信号衰减量对应的节点之间信号的传输距离。
2.1 RSSI测距原理
RSSI的定位算法中,传播信号在自由空间中传播,其能量没有介质损耗,传播路径损耗是指自由空间中发射节点的发射信号在传播过程中,随着距离的增加,由于信号被反射、吸收使节点接收到信号的功率密度减少,计算出信号的传播损耗,建立路径损失模型将传输损耗量转化为对应距离[2-3,6]。路径损失是距离的二次函数,表达式如下:
(1)
上式中Pt为节点发射功率,Pt(d)为接收功率;Gr、 Gt分别是发射天线和接收天线的增益;d是发射节点到接收节点的距离;n是取决于环境的平均路径损耗指数;λ是波长。
由(1)式可得:
(2)
由此,接收信号功率变化与发射节点及接收节点距离的平方成反比,通过测量接收信号的强度利用式(2)可计算出发射与接收两节点间的距离。
2.2 RSSI测距法优缺点及误差分析
但RSSI测距法在实际
无线传感器网络 定位技术 RSSI测距法 衰减因子 定位精度 201708 相关文章:
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